半導體材料應用
前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇半導體材料應用范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。
半導體材料應用范文第1篇
關鍵詞：鉍系半導體材料 光催化 改性
1. 鉍系半導體光催化材料簡介
自上世紀70年代首次發(fā)現(xiàn)二氧化鈦（TiO2）可以光照分解水這一現(xiàn)象以來，越來越多的研究者投入到光催化領域中來。TiO2具有無毒、催化活性較好以及穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在光催化領域應用十分廣泛。但在可見光區(qū)域沒有響應，禁帶寬度大等缺點同時也限制了它的應用。因此，研究者的研究方向主要集中在對TiO2的改性以及開發(fā)新型的半導體光催化材料上。鉍系半導體材料由于其獨特的晶體結構與電子結構引起了研究者的注意，并取得了一系列研究成果。
鉍系光催化材料有兩個很明顯的優(yōu)點，其一，Bi的外層電子結構為6s26p3，因此，Bi元素主要有兩個價態(tài)，+3和+5，且可以通過不同的實驗方法合成其他的中間價態(tài)。當Bi失去外層電子時，可以與其他元素（如O元素）復合并雜化，在半導體中形成價帶頂端，從而形成s-p雜化軌道，降低其禁帶寬度，有利于光生電子與空穴的傳遞，抑制光生載流子的復合，從而可以提高光催化性能。其二，鉍系半導體材料有很多的微觀形貌，如納米片、納米棒、納米花等，大多為多層結構，比表面積高，有利于和其他半導體材料復合，從而提高其光催化性能。
2. 鉍系半導體光催化材料的改性
鉍系半導體光催化材料的性能雖然較其他一些催化材料有很明顯的優(yōu)勢，但依然有上升空間。因此對鉍系半導體光催化材料進行改性以提高其光催化性能成了目前的研究熱點。鉍系光催化材料的改性主要集中在合成新型半導體光催化材料、與其他半導體光催化劑復合形成異質(zhì)結以及摻雜一些元素進行改性。
2.1 合成新型半導體光催化材料
在鉍系化合物中，Bi2WO6、BiVO4、Bi2MoO6等一些二元復合氧化物以及鹵氧化鉍材料已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并得到了廣泛研究。因此研究者們又把目光轉(zhuǎn)向了新材料的開發(fā)上，以此來拓寬研究范圍并不斷提高鉍系材料的光催化性能。
Bi2S3是近幾年被報道的用于光催化領域的一種半導體，其晶體結構與Bi2O3很相似，據(jù)文獻報道，Bi2S3的禁帶寬度為1.4eV左右，在光電催化方面活性較好。Bi2S3的制備方法也很多，包括水熱法、化學沉積法、超聲化學法等，在制備過程中，通過不斷調(diào)節(jié)實驗條件，例如加入表面活性劑、調(diào)節(jié)pH值以及控制反應時間等，可以合成不同形貌的Bi2S3。目前所合成的形貌有納米片。納米花、納米線等等。沈林等人[1]用水熱法，在實驗過程中加入EDTA并調(diào)節(jié)溶液的pH值，合成出了各種形貌的Bi2S3。
NaBiO3也是近幾年研究的熱點，其光催化性能較Bi2O3有明顯的提升，在光催化領域有著巨大的應用前景。在NaBiO3中，Na的3s軌道和O的2p軌道發(fā)生雜化反應形成s-p軌道，可以加快光生電子和空穴的傳遞，抑制光生載流子的復合，從而增強其光催化活性。諶春林等人[2]用熱處理的方法在不同條件下處理商品鉍酸鈉，并對所得的樣品進行光催化活性測試。實驗結果顯示，鉍酸鈉對甲基橙、亞甲基藍以及苯酚等污染物均有一定的降解活性，并且經(jīng)過熱處理過得鉍酸鈉的活性較之前有所提高。
堿土金屬鉍酸鹽也是一類新型的可見光催化劑，文獻報道不多，因此發(fā)展空間很大。在化合物中，Bi3+的孤對電子使化合物呈現(xiàn)出Bi-O的三維網(wǎng)絡片狀結構。繼Tang等人首次發(fā)現(xiàn)CaBi2O4在可見光的照射下可以降解亞甲基藍以及甲醛以后，其他堿土金屬鉍酸鹽也相繼被報道出來，例如CaBi6O13以及SrBi2O4等。
2.2 與其他半導體材料復合
在提高鉍系化合物光催化活性方面，除了發(fā)現(xiàn)新型化合物，使用最多的應該是與其他半導體光催化劑復合。復合主要包括鉍系化合物與其他化合物的復合以及鉍系化合物與貴金屬的復合等幾個方面。
Shang等人將Bi2WO6負載在TiO2納米纖維薄膜上，成功的制備出了Bi2WO6/TiO2異質(zhì)結，并對其光催化活性進行了測試。實驗結果表明，該異質(zhì)結催化劑在可見光條件下，降解活性遠高于Bi2WO6和TiO2。
除了以上兩個方法外，與貴金屬的復合也應用的十分廣泛。在光催化過程中，貴金屬一般作為助催化劑，加快光生電子的傳遞來提高光催化活性。Pugazhenthiran等人采用超聲法將Au與Bi2O3復合，實驗結果顯示，所制備的復合光催化劑能夠在可見光下降解酸性橙-10。
與其他半導體材料的復合為鉍系半導體催化劑材料在光催化領域的發(fā)展提供了更為廣闊的前景。
2.3 與其他元素摻雜
在鉍系半導體的材料改性方面，元素摻雜也是很重要的一方面。Xu等人用水熱法合成出了BiVO4之后，用浸漬法摻雜不同的稀土元素并改變其比例，合成了一批樣品。通過光催化活性測試，Gd3+-BiVO4的活性最好，尤其當Gd的含量為8at.%時，光催化活性達到最高。
3. 鉍系半導體光催化材料的應用
鉍系半導體材料在光催化方面的主要集中在降解有機染料、抗生素以及分解水等幾個方面。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及人民生活水平的提高，在工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生很多工業(yè)廢水，其中就包括很多有機染料，例如羅丹明B、甲基橙、亞甲基藍、甲基紫等。這些染料廢水對人們的生產(chǎn)以及生活帶來很大的危害。而鉍系光催化材料在這方面的表現(xiàn)極為優(yōu)異。Ping等人采用溶劑法法，以1-丁基-3-甲基咪唑碘為原料，合成出了BiOI納米片。實驗結果表明，該樣品在可見光下對羅丹明B的降解性能十分優(yōu)異。
抗生素的濫用也是目前的一大問題，這直接導致了水體中出現(xiàn)了大量的抗生素殘留，包括環(huán)丙沙星、四環(huán)素、氯酚以及微囊藻毒素等等。Ling等人以Bi2O3以及TiO2為原料，采用高溫固相法合成出了鈦酸鹽Bi4Ti3O12。在后續(xù)的光催化實驗中，研究者用所得產(chǎn)物降解氯酚（4-CP）以及微囊藻毒素（MC-RR）。結果顯示，當4-CP的濃度為1.25×10-5mol/L時，降解活性最高。同時在后期的表征中顯示，反應中起主要作用的活性物種為羥基自由基和超氧自由基。
除環(huán)境問題外，能源短缺也是當今社會的一大問題?；茉吹倪^渡開采必然導致能源緊缺，因此開發(fā)新能源，例如氫能、太陽能以及潮汐能等也是一項迫切的任務。鉍系半導體材料大多可以在可見光的照射下分解水產(chǎn)生氧氣，因此，在鉍系材料的基礎上復合可以分解水產(chǎn)氫且價導帶匹配的化合物就能夠?qū)崿F(xiàn)全分解水的過程。Kudo等人于1998年首次發(fā)現(xiàn)BiVO4在可見光的照射下，可以分解水。在此基礎上，研究者又經(jīng)過不斷努力，合成了更多可以分解水的異質(zhì)結。
除了上述在降解污染物以及能源方面的應用，鉍系光催化材料還廣泛的應用于光催化還原以及光催化氧化等方面。
4. 結語
到目前為止，有大量關于鉍系半導體材料在光催化領域的應用的文章的報道。但由于其制備過程不適宜大規(guī)模生產(chǎn)且一些材料成本太高，不利于工業(yè)生產(chǎn)。在未來的科研工作中，可以將目光主要集中在對鉍系半導體材料的工業(yè)化應用方面，通過制備方法的改進以及原材料的選擇上降低其成本，提高重復利用率，進而推廣到工業(yè)生產(chǎn)上。
參考文獻
半導體材料應用范文第2篇
1、常用的半導體材料分為元素半導體和化合物半導體。元素半導體是由單一元素制成的半導體材料。主要有硅、鍺、硒等,以硅、鍺應用最廣?；衔锇雽w分為二元系、三元系、多元系和有機化合物半導體。
2、半導體材料是一類具有半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
半導體材料應用范文第3篇
【關鍵詞】半導體；材料與器件；教學改革
0 引言
《半導體材料與器件》是信息顯示與光電子工程本科專業(yè)的專業(yè)基礎課程，旨在使學生理解并掌握半導體材料的物理學的理論體系及基本器件的功能和應用，了解半導體器件的特性以及相應的儀器檢測方法，儀器測試原理，以及相關理論；了解半導體物理學發(fā)展的前沿及發(fā)展動態(tài)。同時，使學生學習本課程領域內(nèi)專業(yè)知識的同時，提高專業(yè)英語的聽說讀寫能力，全面提高中英文專業(yè)水平，為社會輸送高質(zhì)量人才。
1 優(yōu)質(zhì)教學資源建設
合適的教材是保證雙語教學能夠順利進行的前提，擁有外文原版教材是雙語教學的必要條件。目前，在國內(nèi)找不到一本合適的半導體材料與器件方面的教材；相關教材，如劉恩科等編著的《半導體物理學》、孟慶臣等編著的《半導體器件物理》、田敬民編著的《半導體物理問題與習題》，鄧志杰等編的《半導體材料》，楊樹人等編《半導體材料》，但能同時滿足《半導體材料與器件》教學要的教材還沒有。通過對網(wǎng)絡資料搜索，我們找到了相關的英文原版教材《Semiconductor Materials and Device Characterization》，是由美國Arizona State University 的Dieter K. Schroder教授等著作的，這本書系統(tǒng)地介紹了半導體材料與器件的基本參數(shù)、特性、測試儀器以及測試方法和原理，是一本優(yōu)秀的教材，先后在美國、加拿大、德國等地出版。在國內(nèi)，尚未有出版發(fā)行，亦沒有影印版可以借鑒。另外，還有一些地道的英文原版教材，如University of Florida的Franky So等編著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》，Robert F. Pierret等編著的《Semiconductor Device Fundamentals》。通過充分整合這些優(yōu)秀教材，建立教材庫，供教學使用，將為半導體材料與器件教學提供有力保障。
2 新型雙語教學模式的探索
2.1 傳統(tǒng)“填鴨式”教學方式的改進
傳統(tǒng)的“填鴨式”教學方法，一個最大的優(yōu)點是可以在極短的時間內(nèi)，傳授完大部分的課本知識，節(jié)省時間。但是，其缺點也顯而易見，不利于學生消化、吸收新知識，造成“左耳進、右耳出”的現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象，我們針對《半導體材料與器件》這門課的教學方式特作改進。以知識點串講的方式取代傳統(tǒng)的逐章逐節(jié)的講解模式，做到一半以上的時間用英語講解，對重點、難點分別用中、英文對譯；穿插師生互動環(huán)節(jié)，課堂提問，鼓勵學生用英語作答，營造雙語學習環(huán)境?？紤]到這門課的開設，設置在第6個學期，學生經(jīng)過近3年的大學英語學習，應該具備一定的英文閱讀寫作能力，可以安排一些調(diào)研性內(nèi)容，以報告或小論文的形式體現(xiàn)。對于個章節(jié)中專業(yè)詞匯和專業(yè)術語，提前發(fā)放給學生自學，以減輕課堂負擔。根據(jù)循序漸進的原則，講解的時間逐漸縮短，點到為止，啟發(fā)式教學。另外，還可以穿插一些最新的研究動態(tài)，使學生對知識的應用以及科學前沿有所了解，提高學習興趣，樹立科技知識不斷更新進步的理念。
2.2 學生講授課程的探索
在吃透半導體材料與器件這門課的基礎上，精煉教學內(nèi)容，簡化PPT課件，在保證不減少知識點的以及課程進度的前提下，適當添加一些學生講授課程的比例，激發(fā)學生內(nèi)在的學習潛能，培養(yǎng)其知識獲取、內(nèi)化、表達的能力，內(nèi)容以課本知識點為主，形式上可以多樣化，如分組討論、隨機抽查、即興演講等；給學生表現(xiàn)自己才能的機會，營造口語表達的環(huán)境，解決“開口難”的難題。條件許可的情況下，邀請外籍老師來聽課、指導工作。考慮到學生之間的差異，針對英語基礎較差和化學背景比較薄弱的同學，可以單獨進行輔導，開開“小灶”，做到因材施教。
3 考核方式的探索
加大平時分所占的比例?，F(xiàn)有的考核方式為（30%）平時分 + （70%）期末考試卷面分數(shù)，這不利于公平評價學生雙語課的成績，因為聽、說能力沒有得到體現(xiàn)。既然這樣，就應該在平時的表現(xiàn)中體現(xiàn)出來，如，可以將平時分提高到40%，甚至50%，將學生平時在課堂上的聽、說、讀、寫等表現(xiàn)情況也納入平時分的考核中來，在雙語課程考核中，增加這么一條；當然，平時分還應包括出勤率、課堂表現(xiàn)、習題作業(yè)完成情況等，一并納入到平時分的考核中來，這樣的考核方式應該更客觀、有效。對于平時的習題，任課老師要做到及時評閱，及時發(fā)現(xiàn)問題，對錯誤之處要進行評述，習題必須用英語表述，包括老師對習題的評閱，也必須用英語，錯誤之處要用英語糾正，起到示范作用。
4 考試題型多樣化，增加贈分題
考試題型多樣化，除了常見的五大題型，即選擇題、填空題、名詞解釋、簡答題、論述題，可以試探性的增加贈分題。贈分題應該是一些難度較大的綜合題，以激勵那些優(yōu)秀的學生深入學習科技知識、施展才藝，同時拉開不同層次學生之間的距離，體現(xiàn)層次，進一步充分做到優(yōu)生優(yōu)培，因材施教。
5 結論
雙語課的教學是一項巨大而漫長的人才培養(yǎng)工程，要遵循漸進的原則。本文就《半導體材料與器件》這門課的雙語教學過程中出現(xiàn)的問題做出了討論，試探性的提出了新的雙語教學模式、優(yōu)質(zhì)課程建設以及評價方式的變革，以便更好地為社會需求培養(yǎng)高素質(zhì)人才。
【參考文獻】
半導體材料應用范文第4篇
在大家的不懈努力下，有機半導體技術和材料都取得了很大的發(fā)展，這個學科集合了材料學、物理和化學等等很多學科，是一個交叉學科，半導體技術正在不斷發(fā)展，將來還會以更快的速度發(fā)展。一些專家認為，有機半導體材料開發(fā)出的各種器件正在改變未來高科技的發(fā)展。
1 有機太陽電池
傳統(tǒng)的太陽電池是化合物薄膜太陽電池，而新型的太陽電池要采用新型的技術，有機太陽電池將作為一種新型產(chǎn)物擺在大家的面前，有機太陽電池的生產(chǎn)流程很簡單，而且可以通過講解來減少對環(huán)境的污染，由于這些優(yōu)點符合當代社會的需要，所以有機太陽電池越來越受到大家的關注。如此廉價的太陽電池會讓世界的能源發(fā)生巨大的改變。有機太陽電池比傳統(tǒng)的電池更薄，重量更輕，受光面積在不斷增加，所以可以大大提高光電的使用效率，在電腦等小型設備當中可以當作電源來用?？梢允褂糜袡C太陽電池作為OLED屏幕的電源，可以大大減少重量。雖然太陽電池很薄、很輕，也很有柔性，但是它的效率不高，而且壽命也比較短，通過研究，改變太陽電池的缺點，使得效率達到10%，壽命也可以超過5年。
2 有機半導體晶體管
有機半導體材料的晶體管是有機電子器件當中很重要的一種器件，比如OFET。當前OFET的技術主要有聚合物、小分子蒸發(fā)或者是小分子溶液鑄模等等。OFET的優(yōu)點是成本低、柔性大等等，有很好的發(fā)展前景。OFET的發(fā)展很迅速，無論是材料還是制備工藝方面都有了突破，它可以使OLED發(fā)光，形成邏輯電路，發(fā)光場效應晶體管以及單晶場效應晶體管等等器件都已經(jīng)開發(fā)出來。世界各個國家都在研究有機半導體晶體管，2009年，日本的專家使用液相外延工藝生產(chǎn)了并五苯單晶，幾乎是沒有任何缺陷的，之后使用這種單晶制成了OFET，場效應的遷移率可以得到0.6cm2/（V.s）。2010年法國研究人員研究出一種能夠模仿神經(jīng)元突觸功能的有機存儲場效應晶體管，有機半導體晶體管會有希望成為新一代集成電子器件。
3 OLED技術
與LCD技術比較，OLED不僅可以做到折疊和隨身攜帶，還具有更好的可適度、更好的圖像質(zhì)量以及更薄的顯示器。現(xiàn)在OLED已經(jīng)開始應用到手機、以及數(shù)碼相機等小型設備當中。當前在OLED顯示器開發(fā)的市場當中占有很大優(yōu)勢的企業(yè)有三星、LG以及柯達等等。2010年初，三星展出了OLED筆記本電腦，還推出了帶有OLED平面的MP3播放器。預計未來五年智能手機會促使OLED顯示器呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭。隨著OLED技術的快速發(fā)展，未來很可能會應用到顯示器、照明當中。由于OLED的刷新速率很高，這使得視頻圖像更加逼真，還可以隨時進行圖像的更新。未來的報紙也有可能成為OLED顯示器，能夠更新新聞，還能夠卷起來。有機半導體技術已經(jīng)在很多領域都占有自己的重要位置，很多企業(yè)已經(jīng)開始開發(fā)半導體技術的產(chǎn)品。使用OLED技術的玻璃窗在電源關閉的時候和普通的玻璃沒區(qū)別，但是在接通電源之后就會變成顯示器。使用OLED技術的汽車擋風玻璃也不僅僅是擋風，還能夠提供其它的幫助。
有機半導體材料作為一種新型材料，經(jīng)過不斷開發(fā)和研究，已經(jīng)進入商品化的階段，并且會有很好的發(fā)展。有機半導體器件成本低，操作流程簡單，而且功耗小，這是很多無機半導體器件沒有的特點，所以有機半導體器件有很大的發(fā)展。但是有機半導體器件在壽命已經(jīng)性能方面還需要改進。喲及半導體器件的速度比較慢，這使得它取代傳統(tǒng)的半導體的可能性不大，所以在這方面需要解決，但是有機半導體更加經(jīng)濟，成本更低，值得推廣。
參考文獻
[1]陳巖.納米電子技術――21世紀的電子熱點[J].北京工商大學學報：自然科學版，2001(3).
[2]劉明，謝常青，王叢舜，龍世兵，李志鋼，易里成榮，涂德鈺.納米加工和納米電子器件[J]. 微納電子技術，2005(9).
[3]杜晉軍，李俊，洪海麗，劉振起.納米電子器件的研究進展與軍事應用前景[J].裝備指揮技術學院學報，2004(4).
半導體材料應用范文第5篇
關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體
1半導體材料的戰(zhàn)略地位
上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產(chǎn)業(yè)，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學技術的發(fā)展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>
2幾種主要半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
2.1硅材料
從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。
從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發(fā)中。
理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發(fā)的重點。
2.2GaAs和InP單晶材料
GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優(yōu)勢。
目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。
GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應用。
（2）。提高材料的電學和光學微區(qū)均勻性。
（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。
（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發(fā)展很快，很有可能成為主流技術。
2.3半導體超晶格、量子阱材料
半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現(xiàn)了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。
雖然常規(guī)量子阱結構端面發(fā)射激光器是目前光電子領域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極?。ā?.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續(xù)輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應用前景。
為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯(lián)激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續(xù)應變補償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個國家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發(fā)展。
（2）硅基應變異質(zhì)結構材料。
硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關納米硅的受激放大現(xiàn)象的報道，使人們看到了一線希望。
另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。
盡管GaAs／Si和InP／Si是實現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。
2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料
基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發(fā)展與應用，極有可能觸發(fā)新的技術革命。
目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區(qū)材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產(chǎn)生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數(shù)，至今未見國外報道。
在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網(wǎng)絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。
與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。
王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數(shù)毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。
低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。
2.5寬帶隙半導體材料
寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發(fā)光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。
以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。
II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。
寬帶隙半導體異質(zhì)結構材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結構材料，所謂大失配
異質(zhì)結構材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。
目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶體
光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。
4量子比特構建與材料
隨著微電子技術的發(fā)展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。
所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現(xiàn)量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現(xiàn)其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。
這種量子計算機的最終實現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實現(xiàn)量子計算的關鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲過程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計算機走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。
5發(fā)展我國半導體材料的幾點建議
鑒于我國目前的工業(yè)基礎，國力和半導體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。
5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位
至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發(fā)達國家之林。超級秘書網(wǎng)
5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發(fā)展建議
GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領導下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術。到2010年，應當實現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議
（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發(fā)，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產(chǎn)能力。達到本世紀初的國際水平。
寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優(yōu)布點，分別做好研究與開發(fā)工作。
（2）一維和零維半導體材料的發(fā)展設想。基于低維半導體微結構材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發(fā)展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地?？梢灶A料，它的實施必將極大地增強我國的經(jīng)濟和國防實力。
